A fusion pore phenotype in mast cells of the ruby-eye mouse

Using patch-clamp capacitance and amperometric techniques, we have identified an exocytotic phenotype that affects the function of the fusion pore, the molecular structure that connects the lumen of a secretory vesicle with the extracellular environment during exocytosis. Direct observation of individual exocytotic events in mast cells from the ruby-eye mouse (ru/ru) showed a 3-fold increase in the fraction and duration of transient fusion events with respect to wild-type mice. The fraction of the total fusion events that were transient increased from 0.22 ± 0.02 (wild type) to 0.65 ± 0.02 (ru/ru), and the average duration of these events increased from 418 ± 32 ms (wild type) to 1207 ± 89 ms (ru/ru). We also show that this phenotype can reduce and delay an evoked secretory response by causing the fusion of vesicles that have been previously emptied by repeated cycles of transient fusion. The exocytotic phenotype that we describe here may be a cause of diseases like platelet storage pool deficiency and prolonged bleeding times for which the ruby-eye mouse serves as an animal model. Furthermore, the identification of the gene causing the fusion pore phenotype reported here will illuminate the molecular mechanisms regulating exocytotic fusion.

Galactosides in the rhizosphere: Utilization by Sinorhizobium meliloti and development of a biosensor

Identifying the types and distributions of organic substrates that support microbial activities around plant roots is essential for a full understanding of plant–microbe interactions and rhizosphere ecology. We have constructed a strain of the soil bacterium Sinorhizobium meliloti containing a gfp gene fused to the melA promoter which is induced on exposure to galactose and galactosides. We used the fusion strain as a biosensor to determine that galactosides are released from the seeds of several different legume species during germination and are also released from roots of alfalfa seedlings growing on artificial medium. Galactoside presence in seed wash and sterile root washes was confirmed by HPLC. Experiments examining microbial growth on α-galactosides in seed wash suggested that α-galactoside utilization could play an important role in supporting growth of S. meliloti near germinating seeds of alfalfa. When inoculated into microcosms containing legumes or grasses, the biosensor allowed us to visualize the localized presence of galactosides on and around roots in unsterilized soil, as well as the grazing of fluorescent bacteria by protozoa. Galactosides were present in patches around zones of lateral root initiation and around roots hairs, but not around root tips. Such biosensors can reveal intriguing aspects of the environment and the physiology of the free-living soil S. meliloti before and during the establishment of nodulation, and they provide a nondestructive, spatially explicit method for examining rhizosphere soil chemical composition.

In Vitro Biosynthesis of Phosphorylated Starch in Intact Potato Amyloplasts1

Intact amyloplasts from potato (Solanum tuberosum L.) were used to study starch biosynthesis and phosphorylation. Assessed by the degree of intactness and by the level of cytosolic and vacuolar contamination, the best preparations were selected by searching for amyloplasts containing small starch grains. The isolated, small amyloplasts were 80% intact and were free from cytosolic and vacuolar contamination. Biosynthetic studies of the amyloplasts showed that [1-14C]glucose-6-phosphate (Glc-6-P) was an efficient precursor for starch synthesis in a manner highly dependent on amyloplast integrity. Starch biosynthesis from [1-14C]Glc-1-P in small, intact amyloplasts was 5-fold lower and largely independent of amyloplast intactness. When [33P]Glc-6-P was administered to the amyloplasts, radiophosphorylated starch was produced. Isoamylase treatment of the starch followed by high-performance anion-exchange chromatography with pulsed amperometric detection revealed the separated phosphorylated α-glucans. Acid hydrolysis of the phosphorylated α-glucans and high-performance anion-exchange chromatography analyses showed that the incorporated phosphate was preferentially positioned at C-6 of the Glc moiety. The incorporation of radiolabel from Glc-1-P into starch in preparations of amyloplasts containing large grains was independent of intactness and most likely catalyzed by starch phosphorylase bound to naked starch grains.

Identification of receptor ligands and receptor subtypes using antagonists in a capillary electrophoresis single-cell biosensor separation system.

A capillary electrophoresis system with single-cell biosensors as a detector has been used to separate and identify ligands in complex biological samples. The power of this procedure was significantly increased by introducing antagonists that inhibited the cellular response from selected ligand-receptor interactions. The single-cell biosensor was based on the ligand-receptor binding and G-protein-mediated signal transduction pathways in PC12 and NG108-15 cell lines. Receptor activation was measured as increases in cytosolic free calcium ion concentration by using fluorescence microscopy with the intracellular calcium ion indicator fluo-3-acetoxymethyl ester. Specifically, a mixture of bradykinin (BK) and acetylcholine (ACh) was fractionated and the components were identified by inhibiting the cellular response with icatibant (HOE 140), a selective antagonist to the BK B2 receptor subtype (B2BK), and atropine, an antagonist to muscarinic ACh receptor subtypes. Structurally related forms of BK were also identified based on inhibiting B2BK receptors. Applications of this technique include identification of endogenous BK in a lysate of human hepatocellular carcinoma cells (Hep G2) and screening for bioactivity of BK degradation products in human blood plasma. The data demonstrate that the use of antagonists with a single-cell biosensor separation system aids identification of separated components and receptor subtypes.

Structure-assisted redesign of a protein-zinc-binding site with femtomolar affinity.

We have inserted a fourth protein ligand into the zinc coordination polyhedron of carbonic anhydrase II (CAII) that increases metal affinity 200-fold (Kd = 20 fM). The three-dimensional structures of threonine-199-->aspartate (T199D) and threonine-199-->glutamate (T199E) CAIIs, determined by x-ray crystallographic methods to resolutions of 2.35 Angstrum and 2.2 Angstrum, respectively, reveal a tetrahedral metal-binding site consisting of H94, H96, H119, and the engineered carboxylate side chain, which displaces zinc-bound hydroxide. Although the stereochemistry of neither engineered carboxylate-zinc interaction is comparable to that found in naturally occurring protein zinc-binding sites, protein-zinc affinity is enhanced in T199E CAII demonstrating that ligand-metal separation is a significant determinant of carboxylate-zinc affinity. In contrast, the three-dimensional structure of threonine-199-->histidine (T199H) CAII, determined to 2.25-Angstrum resolution, indicates that the engineered imidazole side chain rotates away from the metal and does not coordinate to zinc; this results in a weaker zinc-binding site. All three of these substitutions nearly obliterate CO2 hydrase activity, consistent with the role of zinc-bound hydroxide as catalytic nucleophile. The engineering of an additional protein ligand represents a general approach for increasing protein-metal affinity if the side chain can adopt a reasonable conformation and achieve inner-sphere zinc coordination. Moreover, this structure-assisted design approach may be effective in the development of high-sensitivity metal ion biosensors.

Innovative analytical strategies for the development of sensor devices and mass spectrometry methods

Il lavoro presentato in questa tesi di Dottorato è incentrato sullo sviluppo di strategie analitiche innovative basate sulla sensoristica e su tecniche di spettrometria di massa in ambito biologico e della sicurezza alimentare. Il primo capitolo tratta lo studio di aspetti metodologici ed applicativi di procedure sensoristiche per l’identificazione e la determinazione di biomarkers associati alla malattia celiaca. In tale ambito, sono stati sviluppati due immunosensori, uno a trasduzione piezoelettrica e uno a trasduzione amperometrica, per la rivelazione di anticorpi anti-transglutaminasi tissutale associati a questa malattia. L’innovazione di questi dispositivi riguarda l’immobilizzazione dell’enzima tTG nella conformazione aperta (Open-tTG), che è stato dimostrato essere quella principalmente coinvolta nella patogenesi. Sulla base dei risultati ottenuti, entrambi i sistemi sviluppati si sono dimostrati una valida alternativa ai test di screening attualmente in uso per la diagnosi della celiachia. Rimanendo sempre nel contesto della malattia celiaca, ulteriore ricerca oggetto di questa tesi di Dottorato, ha riguardato lo sviluppo di metodi affidabili per il controllo di prodotti “gluten-free”. Il secondo capitolo tratta lo sviluppo di un metodo di spettrometria di massa e di un immunosensore competitivo per la rivelazione di prolammine in alimenti “gluten-free”. E’ stato sviluppato un metodo LC-ESI-MS/MS basato su un’analisi target con modalità di acquisizione del segnale selected reaction monitoring per l’identificazione di glutine in diversi cereali potenzialmente tossici per i celiaci. Inoltre ci si è focalizzati su un immunosensore competitivo per la rivelazione di gliadina, come metodo di screening rapido di farine. Entrambi i sistemi sono stati ottimizzati impiegando miscele di farina di riso addizionata di gliadina, avenine, ordeine e secaline nel caso del sistema LC-MS/MS e con sola gliadina nel caso del sensore. Infine i sistemi analitici sono stati validati analizzando sia materie prime (farine) che alimenti (biscotti, pasta, pane, etc.). L’approccio sviluppato in spettrometria di massa apre la strada alla possibilità di sviluppare un test di screening multiplo per la valutazione della sicurezza di prodotti dichiarati “gluten-free”, mentre ulteriori studi dovranno essere svolti per ricercare condizioni di estrazione compatibili con l’immunosaggio competitivo, per ora applicabile solo all’analisi di farine estratte con etanolo. Terzo capitolo di questa tesi riguarda lo sviluppo di nuovi metodi per la rivelazione di HPV, Chlamydia e Gonorrhoeae in fluidi biologici. Si è scelto un substrato costituito da strips di carta in quanto possono costituire una valida piattaforma di rivelazione, offrendo vantaggi grazie al basso costo, alla possibilità di generare dispositivi portatili e di poter visualizzare il risultato visivamente senza la necessità di strumentazioni. La metodologia sviluppata è molto semplice, non prevede l’uso di strumentazione complessa e si basa sull’uso della isothermal rolling-circle amplification per l’amplificazione del target. Inoltre, di fondamentale importanza, è l’utilizzo di nanoparticelle colorate che, essendo state funzionalizzate con una sequenza di DNA complementare al target amplificato derivante dalla RCA, ne permettono la rivelazione a occhio nudo mediante l’uso di filtri di carta. Queste strips sono state testate su campioni reali permettendo una discriminazione tra campioni positivi e negativi in tempi rapidi (10-15 minuti), aprendo una nuova via verso nuovi test altamente competitivi con quelli attualmente sul mercato.

Biossensores de pH, ureia e glicose utilizando a microeletrônica de filmes finos de AZO e TIO2

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de biossensores de pH, ureia e glicose, utilizando óxidos como plataforma para a parte seletiva. Os filmes finos de óxidos condutores foram produzidos por diferentes técnicas de deposição, como spin-coat, dip-coat, spray-pyrolysis e casting. Os materiais fabricados foram AZO e TiO2, ambos depositados sobre substratos de FTO, ITO ou vidro hidroflilizado. O número de camadas foi variado para cada técnica e as caracterizações morfológicas e estruturais foram feitas por MEV, DRX e FTIR. As caracterizações elétricas foram feitas por EGFET e voltametria cíclica. Os filmes foram testados como sensores de pHs na faixa de 2 a 8. O filme depositado com AZO em substrato de FTO pela técnica de spray-pyrolysis apresentou melhor resposta, com sensibilidade de 31,7 mV/pH entre toda a faixa de pHs do 2 ao 8. Já para os filmes de TiO2, o filme produzido por dip-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou sensibilidade de 37,8 mV/pH entre a faixa de pHs de 2 a 8. Paralelamente, os filmes tiveram suas superfícies funcionalizadas com proteínas como urease ou glicose oxidase. Neste caso, os dispositivos foram testados entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL de ureia e glicose. Como biossensor de ureia, o filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou a maior sensibilidade, com valor 3,32 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 120 mg/dL. Para os filmes estudados como biossensores de glicose, o melhor resultado também foi obtido pelo filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO, apresentando sensibilidade em torno de 6,18 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL. Alguns resultados encontrados foram iguais ou melhores aos encontrados na literatura vigente, mesmo que os dispositivos ainda são passíveis de otimização.

Caracterização e aplicação analítica de eletrodos modificados com sistemas porfirínicos supramoleculares

Estudos com eletrodos modificados foram conduzidos utilizando dois sistemas porfirínicos supramoleculares diferentes. O primeiro foi baseado na modificação de eletrodo de carbono vítreo com uma porfirina de níquel tetrarrutenada, [NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]4+. A modificação do eletrodo foi realizada por meio de sucessivos ciclos voltamétricos em meio alcalino (pH 13), gerando um eletrodo com característica similar a eletrodos modificados com α-Ni(OH)2. A caracterização química do filme formado foi realizada através das técnicas de voltametria cíclica, ressonância paramagnética eletrônica, espectroscopia eletrônica por reflectância e espectroscopia Raman com ensaio espectro-eletroquímico. Os resultados sugerem a formação de um polímero de coordenação, [µ-O2-NiIITPyP{RuII(bipy)2Cl}4]n, composto por subunidades porfirínicas ligadas entre si por pontes µ-peroxo axialmente coordenadas aos átomos de níquel (Ni-O-O-Ni). O crescimento do filme apresentou dependência da alcalinidade do meio pela formação do precursor octaédrico [Ni(OH)2TRPyP]2+ em solução, pela coordenação de OH- nas posições axiais do átomo de níquel. O processo de eletropolimerização indicou a participação de radical hidroxil, gerado por oxidação eletrocatalítica da água nos sítios periféricos da porfirina contendo o complexo de rutênio. O mesmo eletrodo foi aplicado como sensor eletroquímico para análise amperométrica de ácido fólico em comprimidos farmacêuticos. O sensor foi associado a um sistema de Batch Injection Analysis (BIA) alcançando considerável rapidez e baixo limite de detecção. Para as análises das amostras também foi proposto um método para a remoção da lactose, que agia como interferente. O segundo estudo envolveu a modificação de eletrodos de carbono vítreo com diferentes hemoglobinas, naturais (HbA0, HbA2 e HbS) e sintéticas (Hb-PEG5K2, αα-Hb-PEG5K2 e BT-PEG5K4), para a avaliação da eficiência na redução eletrocatalítica de nitrito mediada por FeI-heme. Os filmes foram produzidos pela mistura de soluções das hemoglobinas com brometo de didodecildimetiltrimetilamônio (DDAB), aplicados nas superfícies com consecutiva evaporação, formando filmes estáveis. Os valores de potencial redox para os processos do grupo heme e a sua associação com a disponibilidade do grupo na proteína foram avaliados por voltametria cíclica. Os valores das constantes de velocidade, k, para redução de nitrito foram obtidos por cronoamperometria em -1,1 V (vs Ag/AgCl(KCl 3M)) que foram utilizados para estudo comparativo entre as espécies sintéticas para eventual aplicação clínica.

Desenvolvimento de microssensores eletroquímicos e aplicações no estudo de processos dinâmicos interfaciais utilizando microscopia eletroquímica de varredura

O trabalho descrito nesta tese mostra de forma detalhada a fabricação e caracterização de diferentes microssensores eletroquímicos os quais têm sido recentemente utilizados como sondas em grupo de técnicas conhecida como Scanning Electrochemical Probe Microscopy (SEPM). Desta forma, a caracterização de superfícies pode ser feita explorando diferentes fenômenos interfaciais relevantes à Ciência. Neste sentido, as interfaces de materiais cristalinos como hidroxiapatita (materiais dentários) e calcita foram o foco de estudo neste trabalho. Assim, diferentes técnicas SEPM foram exploradas no sentido de se obter informações relevantes relacionadas aos processos dentários, como a erosão ácida e hipersensibilidade. Inicialmente, microeletrodos de platina foram desenvolvidos empregando uma metodologia convencional na qual são utilizados microfibras encapsuladas em capilares de vidro. Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) no modo amperométrico foi utilizada para obtenção de informações com relação às alterações de topografia do esmalte dentário causadas pelo contato com substâncias ácidas. Adicionalmente, SECM foi empregada no estudo do transporte de espécies eletroativas em amostras de dentina e investigações relacionadas ao bloqueio dos túbulos empregando-se cremes dentais comerciais foram realizadas. A permeação de peróxido de hidrogênio pela dentina também foi estudada. Os resultados de SECM foram comparados com imagens SEM obtidas nas mesmas condições experimentais. Microeletrodos de membrana ionófora íon-seletiva (Ion Selective Microelectrodes-ISMEs) sensíveis a íons cálcio também foram desenvolvidos e caracterizados, com subsequente aplicação em SECM no modo potenciométrico. A dissolução ácida de esmalte bovino (erosão dentária) foi investigada em diferentes valores de pH (2,5; 4,5; 6,8). Além disso, o transporte de íons cálcio através de membranas porosas sintéticas foi avaliado a uma distância tip/substrato de 300µm. Alterações no fluxo de íons cálcio foram correlacionadas em experimentos realizados na presença e ausência de campos magnéticos gerados por nanopartículas de magnetita incorporadas à membrana porosa. Microcristais de calcita facilmente sintetizados pelo método de precipitação foram utilizados como superfície modelo para investigações interfaciais, cujos resultados podem ser correlacionados aos materiais dentários. Desta forma, nanopipetas de vidro preenchidas com eletrólito suporte foram fabricadas e utilizadas como sonda em Scanning Ion Conductance Microscopy (SICM). O mapeamento topográfico de alta resolução espacial da superfície de um microcristal de calcita foi obtido utilizando o modo de varredura hopping mode. Adicionalmente, sondas multifuncionais ISME-SICM também foram desenvolvidas e caracterizadas para investigações simultâneas com relação às alterações topográficas e quantificação de íons cálcio sobre a superfície de um microcristal de calcita. A adição de reagentes ácidos no canal SICM promoveu a dissolução da superfície do microcristal, sendo obtidos dados cinéticos de dissolução. Investigações em meio neutro também foram realizadas utilizando a sonda ISME-SICM. Os resultados experimentais obtidos também foram comparados com aqueles oriundos de simulação computacional.

Desenvolvimento e caracterização do filtro óptico de interferência variável para detectores de alta resolução espectral e biossensores.

O presente trabalho está fundamentado no desenvolvimento de uma metodologia e/ou uma tecnologia de obtenção e caracterização de filtros ópticos de interferência de banda passante variável [C.M. da Silva, 2010] e de banda de corte variáveis, constituídos por refletores dielétricos multicamadas de filmes finos intercalados por cavidades de Fabry-Perot não planares com espessuras linearmente variáveis, que apresentam a propriedade do deslocamento linear da transmitância máxima espectral em função da posição, isto é, um Filtro de Interferência Variável (FIV). Este método apresenta novas e abrangentes possibilidades de confecção de filtros ópticos de interferência variável: lineares ou em outras formas desejadas, de comprimento de onda de corte variável (passa baixa ou alta) e filtros de densidade neutra variável, através da deposição de metais, além de aplicações em uma promissora e nova área de pesquisa na deposição de filmes finos não uniformes. A etapa inicial deste desenvolvimento foi o estudo da teoria dos filtros ópticos dielétricos de interferência para projetar e construir um filtro óptico banda passante convencional de um comprimento de onda central com camadas homogêneas. A etapa seguinte, com base na teoria óptica dos filmes finos já estabelecida, foi desenvolver a extensão destes conhecimentos para determinar que a variação da espessura em um perfil inclinado e linear da cavidade entre os refletores de Bragg é o principal parâmetro para produzir o deslocamento espacial da transmitância espectral, possibilitando o uso de técnicas especiais para se obter uma variação em faixas de bandas de grande amplitude, em um único filtro. Um trabalho de modelagem analítica e análise de tolerância de espessuras dos filmes depositados foram necessários para a seleção da estratégia do \"mascaramento\" seletivo do material evaporado formado na câmara e-Beam (elétron-Beam) com o objetivo da obtenção do filtro espectral linear variável de características desejadas. Para tanto, de acordo com os requisitos de projeto, foram necessárias adaptações em uma evaporadora por e-Beam para receber um obliterador mecânico especialmente projetado para compatibilizar os parâmetros das técnicas convencionais de deposição com o objetivo de se obter um perfil inclinado, perfil este previsto em processos de simulação para ajustar e calibrar a geometria do obliterador e se obter um filme depositado na espessura, conformação e disposição pretendidos. Ao final destas etapas de modelagem analítica, simulação e refinamento recorrente, foram determinados os parâmetros de projeto para obtenção de um determinado FIV (Filtro de Interferência Variável) especificado. Baseadas nos FIVs muitas aplicações são emergentes: dispositivos multi, hiper e ultra espectral para sensoriamento remoto e análise ambiental, sistemas Lab-on-Chip, biossensores, detectores chip-sized, espectrofotometria de fluorescência on-chip, detectores de deslocamento de comprimento de onda, sistemas de interrogação, sistemas de imageamento espectral, microespectrofotômetros e etc. No escopo deste trabalho se pretende abranger um estudo de uma referência básica do emprego do (FIV) filtro de interferência variável como detector de varredura de comprimento de ondas em sensores biológicos e químicos compatível com pós processamento CMOS. Um sistema básico que é constituído por um FIV montado sobre uma matriz de sensores ópticos conectada a um módulo eletrônico dedicado a medir a intensidade da radiação incidente e as bandas de absorção das moléculas presentes em uma câmara de detecção de um sistema próprio de canais de microfluidos, configurando-se em um sistema de aquisição e armazenamento de dados (DAS), é proposto para demonstrar as possibilidades do FIV e para servir de base para estudos exploratórios das suas diversas potencialidades que, entre tantas, algumas são mencionadas ao longo deste trabalho. O protótipo obtido é capaz de analisar fluidos químicos ou biológicos e pode ser confrontado com os resultados obtidos por equipamentos homologados de uso corrente.

Estratégias de microfabricação utilizando toner para produção de dispositivos microfluídicos

Neste trabalho são apresentados processos de microfabricação de estruturas contendo microcanais e sistemas de manipulação hidrodinâmica e eletroosmótica de fluídos. Foram desenvolvidos processos de microfabricação utilizando toner sobre poliéster, toner sobre vidro, toner como resiste, além de métodos alternativos de perfuração de lâminas e selagem de microestruturas em vidro, desenvolvimento de microestruturas para eletroforese capilar e espectrometria de massas com ionização por eletronebulização. A caracterização dos materiais e processos permitiu uma ampla visão das potencialidades e alternativas dos processos de microfabricação, tendo sido demonstrado que os dispositivos produzidos em toner-poliéster são quimicamente resistentes às substâncias tipicamente utilizadas em eletroforese capilar. Neste trabalho, um detector condutométrico sem contato foi implementado em microestruturas de toner-poliéster e a separação eletroforética de alguns metais alcalinos é demonstrada. A microestrutura foi projetada no formato padrão em cruz, tendo o canal de separação 22 mm de comprimento, 12 µm de profundidade e largura típica. A cela condutométrica foi construída sobre o canal de separação utilizando-se fita adesiva de cobre (1 mm de largura) como eletrodos. O sinal aplicado na cela foi de 530 kHz e 10 Vpp . A separação de K+, Na+ e Li+ na concentração de 100 µmol L-1 foi efetuada em torno de 0,8 min, utilizando-se 1 kV como potencial de separação. Foram desenvolvidos microchips para análise por espectrometria de massas com introdução de amostra por eletronebulização, sendo determinado cluster do íon cloreto em concentração de 1 mmol L+. Também solução com 1 mmol/L de glucosamina em água/metanol 1: 1 (v/v), sob corrente de 100 nA gerou sinal estável e livre de descarga corona. Utilizando detecção amperométrica, obteve-se eletroferogramas mostrando a separação de iodeto (10 mmol L-1) e ascorbato (40 mmol L-1) em potencial de separação de 4,0 kV (800 V cm-1 potencial de detecção de 0,9 V (vs. Ag/AgCI), injeção com 1,0 kV/1°s, tampão borato de sódio 10 mmol L+ com CTAH 0,2 mmol L-1, pH 9,2. Obteve-se eficiência de 1,6.104 pratos/m e foi possível obter limites de detecção de 500 nmol L-1 (135 amol) e 1,8 µmol L-1 (486 amol) para iodeto e ascorbato, respectivamente. O processo de fabricação utilizando toner como material estrutural para microchips em vidro foi bem estabelecido, assim como os modos de detecção fotométrico e condutométrico foram demonstrados. Foram obtidos eletroferogramas par detecção condutométrica sem contato de solução 200 µmol L-1 de K+, Na+ e U+, em tampão histidina/ácido lático 30 mmol L-1 9:1 (v/v) água:metanol, injeção eletrocinética de 2,0 kV/5,0 s, potencial de separação de 1 kV, 530 kHz de frequência e tensão de 2,0 Vpp. Também foi implementado um sistema de detecção fotométrico para microchip operando em 660 nm, tendo sido utilizado para a detecção de azul de metileno 1,0 mmol L-1 em tampão de corrida de barato de sódio 20 mmol L-1 (pH 9,2), com o detector posicionado a 40 mm do ponto de injeção e com injeção eletrocinética a 2,0 kV por 12 s com picos bem resolvidos em menos de 1 min.

Study of dopamine reactivity on platinum single crystal electrode surfaces

Dopamine is the biological molecule responsible, among other functions, of the heart beat and blood pressure regulation. Its loss, in the human body, can result in serious diseases such as Parkinson's, schizophrenia or depression. Structurally, this molecule belongs to the group of catecholamines, together with epinephrine (adrenaline) and norepinephrine (noradrenaline). The hydroquinone moiety of the molecule can be easily oxidized to quinone, rendering the electrochemical methods a convenient approach for the development of dopamine biosensors. The reactivity of similar aromatic molecules, such as catechol and hydroquinone, at well-ordered platinum surfaces, has recently been investigated in our group. In this paper, we extend these studies to the structurally related molecule dopamine. The study has been performed in neutral pH, since this is closer to the natural conditions for these molecules in biological media. Cyclic voltammetry and in situ infra-red spectroscopy have been combined to extract information about the behavior of this molecule on well-defined platinum surfaces. Dopamine appears to be electrochemically active and reveals interesting adsorption phenomena at low potentials (0.15–0.25 V vs RHE), sensitive to the single crystal orientation. The adsorption of dopamine on these surfaces is very strong, taking place at much lower potentials than the electron transfer from solution species. Specifically, the voltammetry of Pt(1 1 1) and Pt(1 0 0) in dopamine solutions shows an oxidation peak at potentials close to the onset of hydrogen evolution, which is related to the desorption of hydrogen and the adsorption of dopamine. On the other hand, adsorption on Pt(1 1 0) is irreversible and the surface appears totally blocked. Spectroscopic results indicate that dopamine is adsorbed flat on the surface. At potentials higher than 0.6 V vs RHE the three basal planes show a common redox process. The initial formation of the quinone moiety is followed by a chemical step resulting in the formation of 5,6-dihydroxyindoline quinone as final product. This oxidation process has also been investigated by vibrational spectroscopy.

Molecularly imprinted silica films prepared by electroassisted deposition for the selective detection of dopamine

Dopamine (DA) can be detected by electrochemical oxidation in conventional electrodes. However, the presence of other oxidizable species (interferents) usually present in physiological fluids at high concentrations (like ascorbic acid) makes very difficult its electrochemical detection. In the present work, glassy carbon electrodes have been modified with molecularly imprinted silica (MIS) films prepared by electroassisted deposition of sol–gel precursors. The production of MIS films was performed by adding the template molecule (DA) to the precursor sol. The molecular impression of silica was assessed showing a high coherency allowing a filtering capacity in the molecular scale. The MIS-modified electrodes present a high selectivity for the detection of DA in neutral or acidic solutions. The MIS-modified electrodes allow the amperometric determination of dopamine in solutions containing ascorbic acid with molar ratios lower than 1:50,000.

Enzyme mediated synthesis of polypyrrole in the presence of chondroitin sulfate and redox mediators of natural origin

Polypyrrole (PPy) was synthesized by enzyme mediated oxidation of pyrrole using naturally occurring compounds as redox mediators. The catalytic mechanism is an enzymatic cascade reaction in which hydrogen peroxide is the oxidizer and soybean peroxidase, in the presence of acetosyringone, syringaldehyde or vanillin, acts as a natural catalysts. The effect of the initial reaction composition on the polymerization yield and electrical conductivity of PPy was analyzed. Morphology of the PPy particles was studied by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy whereas the chemical structure was studied by X-ray photoelectron and Fourier transformed infrared spectroscopic techniques. The redox mediators increased the polymerization yield without a significant modification of the electronic structure of PPy. The highest conductivity of PPy was reached when chondroitin sulfate was used simultaneously as dopant and template during pyrrole polymerization. Electroactive properties of PPy obtained from natural precursors were successfully used in the amperometric quantification of uric acid concentrations. PPy increases the amperometric sensitivity of carbon nanotube screen-printed electrodes toward uric acid detection.

(Bio)funcionalização de superfícies nanoestruturadas para eletrocatálise e desenvolvimento de biossensores eletroquímicos e óticos

Tese de doutoramento, Química (Química Física), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016